上海
撰文 |Sure
葡萄糖是生物体广泛使用的能量物质，其代谢途径主要包括糖酵解、磷酸戊糖途径和己糖胺途径，这些代谢途径产生ATP以支持多种生物功能【1】。然而，人类对于葡萄糖在生物体中功能的认知可能十分有限。有研究表明葡萄糖在组织稳态中的作用不仅仅局限于能量供应，而是可能直接调控细胞生长和分化。糖尿病患者常表现出成纤维细胞增殖受损，干细胞在高葡萄糖环境中受到抑制，骨骼肌祖细胞在高葡萄糖环境下增殖能力下降，亦或者高葡萄糖水平能促进成骨分化等【2-5】。此外，一些营养传感转录因子（如MondoA/ChREBP）会对葡萄糖-6-磷酸（G6P）做出反应，进而激活糖酵解和脂质合成相关基因，调控细胞和机体代谢【5-8】。目前对于葡萄糖非能量供给相关的组织稳态调节机制尚未被广泛研究。
在体细胞组织分化过程中，RNA转录本、蛋白质和小分子代谢物的水平需要协调变化，以支持组织特定功能。在表皮中，贴附于基底膜的有丝分裂活跃的基底层细胞会退出细胞周期，然后向外迁移，最终经历终末分化，形成无生命的角质细胞（corneocytes），构成皮肤屏障【9,10】。在此过程中，成千上万个基因的表达发生变化。然而，这一复杂过程所涉及的生物分子信号尚未完全了解。
近日，来自美国斯坦福大学医学院的Paul A. Khavari课题组在Cell Stem Cell上发表了研究论文Glucose modulates IRF6 transcription factor dimerization to enable epidermal differentiation。在本研究中，作者通过多种组学分析发现了葡萄糖在组织稳态中的非能量供给作用，揭示了葡萄糖可以直接调节转录因子活性的重要作用，这个功能在组织分化中促进了表皮分化相关基因的转录。这是对葡萄糖生物学功能的一次全新理解。
首先，作者从角质形成细胞分化过程中代谢物的变化入手，他们利用5种质谱技术从不同分化阶段的人角质形成细胞中共检测到14000多种代谢物。其中193种生物分子在分化过程中发生显著变化，包括皮肤屏障形成相关的γ-谷氨酰氨基酸转谷氨酰胺底物、游离脂肪酸以及光保护分子尿刊酸等。出人意料的是，在这些升高的生物分子中，葡萄糖变化最显著的。为了验证这一发现，作者通过荧光葡萄糖类似物、放射性示踪、荧光葡萄糖传感器以及小鼠实验，多方面进行研究，结果表明葡萄糖能在分化的角质形成细胞中积累。这暗示着葡萄糖在角质形成细胞的分化过程中可能发挥某种未知的作用。
随后，作者分析了葡萄糖积累的原因。他们发现分化细胞的葡萄糖摄取减少，同时也排出更少的葡萄糖，加之分化细胞的糖酵解水平低于祖细胞，且氧气消耗增加，这些变化都为分化细胞中葡萄糖的积累提供了条件。对葡萄糖代谢的中间产物进行分析后，作者发现糖酵解、磷酸戊糖途径和己糖胺途径的代谢产物都没有显著增加，且糖原合成和分解途径也未发现明显变化。但是，作者发现脂肪酸氧化水平增强，脂质代谢相关基因在分化早期出现上调，这表明分化细胞的代谢偏向氧化磷酸化，而不依赖葡萄糖供能。这些结果说明分化细胞中游离葡萄糖的积累并非用于增强代谢，而是可能对细胞分化发挥作用。
接下来，作者对葡萄糖在细胞分化过程中的作用进行探究。通过限制葡萄糖的获取进行功能验证，结果表明在低葡萄糖培养条件下，虽然角质形成细胞增殖没有受到影响，但是表皮分化出现明显受损。当补充3-O-甲基葡萄糖可以恢复表皮分化，同时也能恢复氧气消耗速率。此外，作者还通过过表达HK1/2和G6PD抑制葡萄糖代谢途径，发现这种干预手段可以降低细胞内葡萄糖水平，从而抑制细胞的分化过程。这些结果表明，游离葡萄糖的积累对表皮分化至关重要。
作者继续研究导致分化细胞中游离葡萄糖积累的分子因素。葡萄糖转运进入细胞依赖于多种转运体的表达。因此，单细胞RNA-seq研究发现，SGLT1主要在分化细胞中表达，且在分化细胞中上调超过50倍，其他的转运体例如GLUT1和GLUT3分别在基底层和表皮上层中表达。ChIP-seq结合分析发现p63、ZNF750、KLF4、CEBPa/b以及IRF6在这些转运体的调控区域有结合信号。这些转录因子可以直接调控葡萄糖转运体的表达水平。
文章的最后，作者深入探讨葡萄糖与IRF6在调控细胞分化过程中的相互关系。通过RNA-seq和ATAC-seq，作者发现在低葡萄糖条件下IRF6结合的靶基因减少，提示葡萄糖可能调控IRF6的转录因子活性。作者大胆的推测葡萄糖可能通过直接结合IRF6来调控其功能。为了验证这个假设，他们利用葡萄糖亲和色谱和糖基化点击化学实验都可以鉴定到IRF6与葡萄糖的直接结合。对其结合葡萄糖的亲和力进行分析，发现IRF6结合葡萄糖的解离常数与经典的葡萄糖结合蛋白己糖激酶1相当。突变IRF6的葡萄糖结合位点可以破坏结合葡萄糖的能力，同时IRF6突变体无法恢复角质形成细胞分化，说明葡萄糖结合对于IRF6的功能是必要的。进一步的分子研究发现，葡萄糖的结合能提高IRF6二聚化，增强IRF6结合DNA的能力，进而促进IRF6靶基因的表达，支持细胞的分化过程。
总的来说，这项研究发现了葡萄糖在角质形成细胞分化过程中的积累及其在调控细胞分化中的非能量供给作用，主要是通过直接结合转录因子IRF6来增强其活性，激活关键表皮分化基因的表达。这些发现拓展了对葡萄糖在非能量代谢调控中的理解，并揭示了一种新的葡萄糖-转录因子调控网络，对皮肤生理学和糖代谢疾病有重要意义。
https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.02.017
制版人： 十一
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